Техніка Каєра Воднева енергія необхідна в промисловому світі
Прогрес, досягнутий у водневих паливних елементах з 2000-х років, та енергетичний перехід дали новий поштовх НДДКР. Проекти помножились, і з'являються промислові рішення для розширення застосувань водневої енергії.
Ще однією перевагою водню є дуже висока щільність енергії. При 33 кВт-год/кг це втричі більше, ніж у бензину. Якщо ми збережемо гіпотезу про утворення водню електролізом води, його видобуток також стає можливим майже в будь-якій точці планети, відповідно зменшуючи можливу геополітичну напруженість, пов'язану з доступом до викопних енергетичних ресурсів [2].
Водень може бути придатним для всіх поточних або потенційних застосувань електроенергії. Це пояснюється легкістю переходу від електрики до водню і навпаки завдяки водному електролізеру та паливному елементу. Все без викидів забруднювачів in situ. Отже, вектор водню являє собою довготривале рішення для накопичення електроенергії для багаторазового використання: чисті та безшумні стаціонарні генератори, невеликі кочові джерела живлення для туризму, пристрої для виробництва електроенергії, гаряча вода та холод для побуту, для промислових будівель та житла, зберігання на електричні мережі або мікромережі, транспорт тощо.
1. Принцип
Паливний елемент знову в силі
Паливний елемент - це електрохімічний пристрій, який безперервно перетворює хімічну енергію палива та окислювача в електричну енергію, тепло і різні побічні продукти реакції. Він відрізняється від традиційного електрохімічного акумулятора, такого як акумулятор, на декількох рівнях. По-перше, паливо подається безперервно і зберігається поза камерою. Отже, існує внутрішня роз'єднання між енергією, що міститься в накопичувачі, і потужністю, яка залежить від паливного елемента. Нарешті, перезарядка можливо дуже швидка.
Паливний елемент складається з елементарних комірок, кожен з яких складається з двох електродів (анода та катода), розділених електролітом (рис. 1). Анод живиться від палива, яке може бути воднем або метанолом. Катод отримує окислювач, наприклад кисень. Поміж ними електроліт повинен бути хорошим іонним провідником, щоб забезпечити проходження іонів Н + та ізолятором, щоб електрони могли бути вилучені. Збірка двох електродів і електроліту називається АМЕ (мембранний електрод у зборі).
Потім декілька елементарних комірок складаються в стопку (рис. 2), що постачається з реакційноздатними газами, які самі розподіляються за допомогою біполярних пластин. Розміри штабеля дозволяють регулювати напругу акумулятора та максимальний струм, здатний проходити через нього. Шукана напруга визначається кількістю елементарних комірок, пов'язаних послідовно електрично. Кожна комірка має напругу холостого ходу - коли жодне навантаження не підключено - порядку 1 В і номінальну робочу напругу порядку 0,7 В. Від цього залежить максимальний струм, який може протікати через акумулятор, площі кожної елементарної комірки. Щільність струму порядку 2 А/см2 досягається сьогодні. Нарешті, щільність потужності паливних елементів зазвичай досягає значень порядку 2 кВт/кг.
Перша робота над паливною камерою датується 1839 р. Давно затьмарена відкриттям чорного золота, вона була оновлена НАСА в рамках завоювання космосу в середині 1960-х рр. З 2000-х років науково-технічні розробки слідували один за одним з метою підвищення енергоефективності та зменшення впливу на навколишнє середовище. Останнім часом спостерігається пришвидшення досліджень, що відзначається експоненціальним зростанням розробок, демонстраційних проектів, залучених промислових гравців та продукції, що надходить на ринок.
Існують різні паливні елементи, які можна класифікувати за робочою температурою, твердим або рідким характером використовуваного електроліту та передбачуваним застосуванням. Серед них паливні клітини з протонообмінними мембранними паливними елементами, відомі як PEMFC (паливні елементи з мембранною протонообмінною системою), концентрують значну частину глобальних НДДКР і спрямовані як на транспортні, так і на стаціонарні програми. Технологія PEMFC працює при низьких температурах, дозволяє швидко запускати, має твердий електроліт і є відносно переривчастим. Цей тип паливних елементів повинен живитись воднем на стороні анода, а киснем, як правило, з навколишнього повітря, на стороні катода. Тому його також зазвичай називають водневим паливним елементом. Таким чином, він виробляє електроенергію, тепло і воду.
2. Впровадження
Наукова міждисциплінарність
Однак цей водневий паливний елемент не може функціонувати поодинці, він повинен бути інтегрований у систему (рис. 3), що складається з декількох основних засобів. Подача водню та повітря (або кисню) розташована перед ядром клітини. Підсистема теплового управління дозволяє утилізувати, використовувати або розсіювати вироблене тепло. Інша підсистема обробляє електричну енергію, що виробляється акумулятором. Вироблена у вигляді постійного струму, електроенергія може зберігатися безпосередньо в пристрої, який часто є електрохімічним - наприклад, акумулятором - або електростатичним за своєю природою. Для використання, наприклад, електродвигуном, електроенергія, вироблена акумулятором або витягнута з накопичувача постійним струмом, повинна трансформуватися в змінний струм. [...]
Щоб прочитати всю цю статтю, ПІДПИСАТИСЯ